CN101995336A - 风力发电机运行状态在线监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种风力发电机运行状态在线监测装置，它可以接入风速、转速、功率、效率、振动、温度等信号，对这些信号进行调理和数据采集，然后对信号进行分析与处理，最后将有用的数据上传给中心服务器。该监测装置可对风力发电机的叶片、输入轴、齿轮箱、发电机运行健康状态及运行效率进行实时的在线监测。可为风力发电机的效率分析提供完整有效的数据，为风力发电机机械寿命预测和故障诊断提供准确及时的信息。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电机运行状态的监测领域，尤其涉及一种应用于风力发电机运行状态在线数据采集与处理的监测装置。
背景技术
由于国内风力发电行业起步晚、发展速度快，近几年风力发电机装机数量均以每年近翻一翻的数量激增，但是原有的风机监测装置只能处在人工测量、监控系统测量的水平上，无法对设备运行状态(包含设备运行健康状态、设备效率、设备寿命预测等)进行实时在线的准确监测。目前风力发电机运行状态监测领域和市场上，也尚无在线状态监测装置。在中国专利文献中，2009年3月25日公开的申请号为200810118822.4，公开号为CN 101393049A，名称为“风力发电机组振动监测及故障诊断的方法”的已授权发明专利公布了一种监测风力发电机组振动监测的方法。但现有装置并未包含对控制系统的数据交换，也未涉及对温度、风速、转速、有功、无功等信号的监测，也未包含硬件冲击信号处理技术。
发明内容
本发明提供了一种风力发电机运行状态在线数据采集监测装置，它是一个对风力发电机运行状态在线实时监测分析系统的一个组成部件，负责数据采集及数据处理任务，如图1所示。实现上述发明所述监测装置的原理如图2所示。
本发明公开的一种风力发电机运行状态在线监测装置，其特征在于包括直流选择模块、交流保护/调理模块、直流保护/调理模块、交流选择模块、量程控制模块、滤波模块、冲击信号处理模块、低频AD采集模块、高频AD采集模块、FPGA模块、CPU模块、硬件“看门狗”模块；其中所述直流选择模块的输入和所述交流保护/调理模块的直流输出与所述直流保护/调理模块的输出相连，所述交流选择模块的输入和所述交流保护/调理模块的交流输出相连，所述量程控制模块的输入和所述交流选择模块的输出相连，所述滤波模块的输入和所述量程控制模块输出相连，所述冲击信号处理模块的输入和所述量程控制模块的输出相连，所述低频AD采集模块的输入由程序控制和所述直流选择模块或所述冲击信号处理模块的输出相连，所述高频AD采集模块的输入由程序控制和所述滤波模块的输出或所述冲击信号处理模块的输出相连，所述FPGA模块控制所述低频AD采集模块和所述高频AD采集模块；所述CPU模块和所述FPGA模块相连，所述硬件“看门狗”模块和所述CPU模块相连。
所述交流保护/调理模块接收的参数是加速度传感器信号、速度传感器信号、脉冲信号，信号输入数量可以是一个或多个，或其任意组合。
所述直流保护/调理模块接收的参数是直流电压/电流信号，信号输入数量可以是一个或多个，或其任意组合。
所述交流保护/调理模块包含输入保护、交直流分离、信号放大功能。
所述直流保护/调理模块包含输入保护功能。
该装置有多路信号输入端子，输入端子连接交流保护/调理模块或直流保护/调理模块，该装置对信号进行数据采集和处理后，通过CPU模块上的通讯接口将数据发送给中心服务器。
对于输入端子连接加速度传感器时，装置内部向外供电24V/3mA，使加速度传感器工作正常。
为解决速度传感器失效性监测，信号输入模块连接速度传感器时，装置内部向外供电0.1mA-0.5mA，用于监测传感器是否工作正常。
所述交流保护/调理模块和所述直流保护/调理模块的保护部分由气体放电管、压敏电阻、瞬态抑制二极管及电阻组成。
本发明的应用于风力发电机运行状态在线监测装置，适用于风力发电机的正常运行状态或特殊状态的全过程实时监测，可为风力发电机的效率分析提供完整有效的数据，为风力发电机机械寿命预测和故障诊断提供准确及时的信息。
附图说明
图1是风力发电机运行状态在线实时监测分析系统图；
图2是监测装置信号处理框图；
图3是交流保护/调理模块电路原理图；
图4是量程控制模块电路原理图；
图5是滤波模块电路原理图；
图6是6阶6KHz-60KHz带通滤波电路原理图；
图7是绝对值电路原理图；
图8是低通电路原理图；
图9是峰值保持电路原理图；
图10是有效值计算模块电路原理图；
图11是低频AD采集模块和高频AD采集模块电路原理图；
图12是硬件“看门狗”模块电路原理图；
图13是加速度信号输入连接电路原理图；
图14是速度信号输入连接电路原理图。
图15是直流保护/调理模块电路原理图；
图16是冲击信号处理模块框图。
具体实施方式
现在将对本发明的典型实施例进行详细地说明。
参见图2是监测装置信号处理框图，本装置的组成为：直流选择模块3的输入和交流保护/调理模块1的直流输出与直流保护/调理模块2的输出相连，交流选择模块5的输入和交流保护/调理模块1的交流输出相连，量程控制模块10的输入和交流选择模块5的输出相连，滤波模块6的输入和量程控制模块10输出相连，冲击信号处理模块8的输入和量程控制模块10的输出相连，低频AD采集模块9的输入由程序控制可以和直流选择模块3或冲击信号处理模块8的输出相连，高频AD采集模块7的输入由程序控制和滤波模块6的输出或冲击信号处理模块8的输出相连，FPGA模块12控制低频AD采集模块9和高频AD采集模块7以及其他需要控制的模块；CPU模块13和FPGA模块12相连，硬件“看门狗”模块11和CPU模块13相连。
交流保护/调理模块1，电路原理图参见图3，加速度传感器信号、速度传感器信号、脉冲信号的每一路输入连接一个该模块，它具有三重保护功能，分别由气体放电管EPSIN-75、压敏电阻39ZR-10D、瞬态抑制二极管P6KE30A及相应电阻组成，由电阻/电容组成交直流分离电路，由TL064I组成放大电路，它的输出分为交流输出部分和直流输出部分。
直流保护/调理模块2，参见图15，直流电压/电流信号的每一路输入连接一个该模块，分别由气体放电管EPSIN-75、压敏电阻39ZR-10D、瞬态抑制二极管P6KE30A及相应电阻组成。
直流选择模块3，由FPGA模块控制选择，它由1片ADG426BRS组成一个16选1的多路复用器；
交流选择模块5由FPGA模块控制选择，它由1片ADG426BRS组成一个16选1的多路复用器。
量程控制模块10如图4所示，由FPGA模块连接ADG426BRS的第1、2、17脚，控制选择可将量程变换为4倍、1倍、1/4倍、1/16倍。
滤波模块6如图5所示，FPGA模块连接TLC04的第2脚及ADG428BR的第1、2、17脚，滤波具有不滤波、1KHz低通、跟踪低通滤波三个程序控制的选项；
冲击信号处理模块8框图如16所示，它采用脉冲冲击的包络解调法实现对一种冲击振动的监测，它利用加速度传感器的共振区对特殊信号的放大效应，利用6阶6KHz-60KHz带通滤波模块A如图6所示，提取加速度传感器的共振区振动信号作为冲击信号，绝对值模块B如图7所示，其输入和带通滤波模块A的输出相连，低通滤波模块C如图8所示，其输入和绝对值模块B的输出相连，低通模块C的输出连接到低频AD采集模块9和高频AD采集模块7，作为它们的一个输入。峰值保持模块D如图9所示，其输入和绝对值模块B的输相连，峰值保持模块D的输出连接到低频AD采集模块9和高频AD采集模块7，作为它们的一个输入。有效值计算模块E使用AD536，它的输入和带通滤波模块A的输相连，有效值计算模块E如图10所示，采用AD635ASD芯片进行有效值转换，其输出连接到低频AD采集模块9和高频AD采集模块7，作为它们的一个输入。
低频AD采集模块9采用LTC1416IWG芯片，如图11所示，输入可以和直流选择模块3或冲击信号处理模块8的输出相连。
高频AD采集模块7也采用LTC1416IWG芯片，原理图如图11所示，其原理图和低频AD采集模块相同，其输入和滤波模块6的输出或冲击信号处理模块8的输出相连。
CPU模块13，CPU采用低功耗ARM9系列EP9302，两片FLASH作为程序存储器，型号为JS28F128；两片SDRAM作为数据存储器，型号为HY57V561620CLT。一片CPLD作为外围控制，型号为EPM3032A；网络控制芯片为KS8721BI；
FPGA模块12采用ALTERA的EP2C20F484I芯片，如前面所述，和多个模块相连；
硬件“看门狗”模块11，它由CD4060为核心组成，通过RC时间常数为2秒，使用CD4060的第3脚作为“看门狗”输出连接到CPU模块，如图12所示。
加速度信号输入连接如图13所示，通过3K欧姆/0.5W电阻向传感器供电。
速度传感器信号接口特殊处理如图14所示，通过一电阻向速度传感器供电，图14所示为向传感器供电约0.2mA。
上述内容已经说明了本监测装置实施方法，但本领域的普通技术人员对装置输入信号类型、输入信号数量及其组合做出变化，以及在此基础上做出各种形式和细节上的变更都将被包含在本发明中。
Claims (9)
1.一种风力发电机运行状态在线监测装置，其特征在于包括直流选择模块(3)、交流保护/调理模块(1)、直流保护/调理模块(2)、交流选择模块(5)、量程控制模块(10)、滤波模块(6)、冲击信号处理模块(8)、低频AD采集模块(9)、高频AD采集模块(7)、FPGA模块(12)、CPU模块(13)、硬件“看门狗”模块(11)，其中所述直流选择模块(3)的输入和所述交流保护/调理模块(1)的直流输出与所述直流保护/调理模块(2)的输出相连，所述交流选择模块(5)的输入和所述交流保护/调理模块(1)的交流输出相连，所述量程控制模块(10)的输入和所述交流选择模块(5)的输出相连，所述滤波模块(6)的输入和所述量程控制模块(10)输出相连，所述冲击信号处理模块(8)的输入和所述量程控制模块(10)的输出相连，所述低频AD采集模块(9)的输入由程序控制和所述直流选择模块(3)或所述冲击信号处理模块(8)的输出相连，所述高频AD采集模块(7)的输入由程序控制和所述滤波模块(6)或所述冲击信号处理模块(8)的输出相连，所述FPGA模块(12)控制所述低频AD采集模块(9)和所述高频AD采集模块(7)，所述CPU模块(13)和所述FPGA模块(12)相连，所述硬件“看门狗”模块(11)和所述CPU模块(13)相连；
所述交流保护/调理模块(1)接收的参数是加速度传感器信号、速度传感器信号、脉冲信号，信号输入数量可以是一个或多个，或其任意组合；
所述直流保护/调理模块(2)接收的参数是直流电压/电流信号，信号输入数量可以是一个或多个，或其任意组合。
2.根据权利要求1所述的监测装置，其特征在于每台监测装置均有唯一的身份识别序列号，该序列号可被监测装置软件读出。
3.根据权利要求1所述的监测装置，其特征在于所述的交流保护/调理模块(1)和直流保护/调理模块(2)的保护部分由气体放电管、压敏电阻、瞬态抑制二极管及电阻组成。
4.根据权利要求1所述的监测装置，其特征在于所述滤波模块(6)具有不滤波、1KHz低通滤波、跟踪低通滤波三个FPGA控制的选项。
5.根据权利要求1所述的监测装置，其特征在于所述冲击信号处理模块(8)具有三个输出，该模块利用加速度传感器的共振区对特殊信号的放大效应，利用6阶6KHz-60KHz带通滤波模块(A)，提取加速度传感器的共振区振动信号作为冲击信号，绝对值模块(B)的输入和带通滤波模块(A)的输出相连，低通滤波模块(C)的输入和通过绝对值模块(B)的输出相连，低通模块(C)的输出做为冲击信号处理模块(8)的一个输出，峰值保持模块(D)的输入和通过绝对值模块(B)的输相连，峰值保持模块(D)的输出做为冲击信号处理模块(8)的一个输出，有效值计算模块(E)的输入和带通滤波模块(A)的输相连，有效值计算模块(E)的输出做为冲击信号处理模块(8)的一个输出。
6.根据权利要求1所述的监测装置，其特征在于所述FPGA模块(12)，采用ALTERA的EP2C20F484I芯片，FPGA的配置方式由CPU板配置FPGA的运行程序。
7.根据权利要求1所述的监测装置，其特征在于所述CPU模块(13)中的CPU采用ARM9系列EP9302，两片FLASH作为程序存储器，型号为JS28F128；两片SDRAM作为数据存储器，型号为HY57V561620VLT，一片CPLD作为外围控制，型号为EPM3032A；网络控制芯片为KS8721BI；CPU板是一个单独模块通过连接器和FPGA所在电路板连接，也可以和其他电路同在一块电路板上。
8.根据权利要求1所述的监测装置，其特征在于信号输入模块连接速度传感器时，装置内部向外供电0.1mA-0.5mA电流，用于监测传感器是否工作正常。
9.根据权利要求1所述的监测装置，其特征在于所处通讯接口包括：光纤通讯接口、以太网通讯接口、RS485通讯接口、RS232通讯接口，接口类型是一个或多个，通讯接口将数据传向数据中心，也和控制系统进行数据交换。
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| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
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Application publication date: 20110330 |